1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

发布时间：2017-09-11 22:44

  本文关键词：1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

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【摘要】：超声换能器是超声无损检测、医学成像系统的关键部件。为获得更好的横向分辨率,需要提高换能器的带宽。本文旨在讨论获得中心频率在2.5MHz左右的宽带纵波超声换能器的方法。压电超声换能器的模拟设计方法主要包括等效电路类比和有限元模拟,这些方法的基本前提都是需要比较精确的材料参数。1-3型压电复合材料有声阻抗率低、机电耦合系数大、横向耦合小等优点,对于工作介质为水等低声阻抗率介质的换能器是较为适合的。本文推导得到了压电片的厚度振动等效电路,介绍了基于此等效电路和电阻抗拟合获得用于模拟TE模换能器的压电材料参数的方法。这些参数包括声速c、相对钳定介电常数s、机械品质因数Qm和机电耦合系数kt。利用此方法,得到了一组不同体积分数的压电复合材料的参数,供换能器设计模拟使用。介绍了KLM模型及其改进和二端口网络等效矩阵理论,并以此获得了对换能器的脉冲回波的模拟。建立了换能器性能的评价函数,讨论了换能器性能的优化方法。重点讨论了匹配层对换能器性能的影响。结果显示,匹配层厚度比声阻抗率对匹配效果具有更大的影响；匹配层材料的声衰减对换能器性能有负面影响,因此匹配层层数并非越多越好。根据优化结果,实际制作了以水和聚苯乙烯为工作介质的2.5MHz换能器,-6dB相对带宽分别达到了94.3%和100.8%。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 引言8-14
• 1.1 研究背景和意义8
• 1.2 压电复合材料概述8-10
• 1.3 超声换能器概述10-12
• 1.4 本文研究内容12-14
• 2 1-3压电复合材料14-30
• 2.1 材料制备14-15
• 2.2 振动模式15-17
• 2.2.1 厚度模式16
• 2.2.2 横向模式16-17
• 2.3 材料参数的获得17-30
• 2.3.1 传统方法18-19
• 2.3.2 阻抗拟合法19-30
• 3 换能器模型30-38
• 3.1 KLM模型30-31
• 3.2 二端口网络等效矩阵31-35
• 3.2.1 串联阻抗的等效矩阵32-33
• 3.2.2 并联阻抗的等效矩阵33
• 3.2.3 变压器的等效矩阵33-34
• 3.2.4 低损耗传输线的等效矩阵34-35
• 3.3 换能器脉冲回波的获得35-38
• 3.3.1 发射电压响应35-36
• 3.3.2 接收电压响应36-37
• 3.3.3 脉冲回波37-38
• 4 换能器性能优化38-46
• 4.1 评价函数38
• 4.2 优化方法38-41
• 4.2.1 参数扫描法38-39
• 4.2.2 单纯形调优法39-41
• 4.3 匹配层优化结果41-46
• 4.3.1 单层匹配41-44
• 4.3.2 双层匹配44-46
• 5 实验结果46-50
• 5.1 脉冲回波46-49
• 5.2 误差分析49-50
• 6 结论和后续工作50-51
• 参考文献51-55
• 致谢55-56
• 攻读硕士学位期间发表论文56-57

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 莫喜平;;ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应用[J];声学技术;2007年06期

2 党长久,李明轩;1-3型压电复合材料[J];应用声学;1995年01期

3 范兴明;马世伟;张鑫;李震;;基于ANSYS的压电陶瓷晶片PZT仿真分析[J];压电与声光;2014年03期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 马克伟;吴浩东;;KLM下的换能器优化设计[A];泛在信息社会中的声学——中国声学学会2010年全国会员代表大会暨学术会议论文集[C];2010年

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本文编号：833517